（机械工程专业论文）花键加工工艺装备的设计开发与应用.pdf

工程硕士学位论文 花键轴加工工艺装各的设计开发与应用 摘要 本文介绍了将x 6 2 w 万能铣床改造为花键轴专用铣床方法。从理论上分析 了该设计方案用做加工矩形花键时的定位精度，并在实践中得到证实。详细阐 述了用一种电动刀架代替万能分度头来实现等分分度的全过程及其工艺方案。 花键工艺采用该系统，可以使花键成型过程变为：进刀铣削、退刀、分度、再 进刀的自动循环工艺过程，整个过程无需人工参与，直到一个工件加过完毕后， 自动停机。进给工作台采用液压动力滑台，自动循环过程采用了p l c 控制， 使得机一电- 液联动控制有机地相结合，操作简单方便，通用性强，分度速度快、精 度高，大大降低了劳动强度、提高了生产效率，为在铣床上完成花键成型过程创造了 一种自动化的条件。 关键词：等分分度电动刀架花键轴液压控制p l c自动化工艺装备 工程硕士学位论文花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e s + t h es p e c i a lm e t h o d so fm i l lm a c h i n ew h i c hc a nc h a n g ex 6 2 w o m n i p o t e n c em i l l i n gm a c h i n e 幻s p l i n ea x i s i ta n a l y s e st h e o r e t i c a l l yt h eo r i e n t a t i o n p r e c i s i o nw h e nt h ed e s i g ni su s e dt op r o c e s sr e c t a n g l es p l i n ea n di sv a l i d a t e dp r a c t i c a l l y i t a l s os e t sf o r t hc a r e f u l l yt h ew h o l ec o u r s ea n di t sc r a 讯v o r ki nw h i c ha ne l e c t r om o t i o n k n i f er e s tr e p l a c eo m n i p o t e n c ed i v i s i o ne n dt or e a l i z ep a r td i v i s i o n b yt h ea d o p t i o no f t h e s y s t e mt h es p l i n ec r a f t w o r kc a nt u r ni t sm o l d i n gc o u r s et oa u t o m a t i o nc y c l ec o u r s e i n c l u d i n ge n t r ys w o r dm i l l i n g ，q u i t t i n gs w o r d ，p a r td i v i s i o n ，r e e n t r ys w o r d a n di nt h e p r o c e s sr i om a n u a lp o w e ri s i n v o l v e dt i l law o r k p t e c ei sd o n ew i t ha n dt h em a d a i n e s t o p p e da u t o m a t i c a l l y t h ed e s ka d o p t sh y d r a u l i ep r e s s u r ed r i v es l i p w a y ；t h es e l f - m o t i o n c y c l ec o u r s eu s e sp l cc o n t r o l ，w h i c hc o m b i n et h ee n g i n e e l e c t r i c i t y l i q u i dl i n k a g et o m a k eo p e r a t i o ne a s i e ra n dm o r ec o n v e n i e n t ，w i d e ra n dm o r tp o p u l a r , d i v i s i o ns p e e da n d p r e c i s i o nh i g h e r , r e d u c el a b o ri n t e n s i o na n dp r o v i d eac o n d i t i o nt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y ， t oc r e a t eac o n d i t i o no f a u t o m a t i o nt of i n i s ht h es p l i n em o l d i n g b yt h em i l l i n gm a c h i n e k e yw o r d s ：p a r td i v i s i o n ；e l e c t r om o t i o nk n i f er e s t ；s p l i n e a x i s ；h y d r a u l i cp r e s s u r e c o n t r o l ；p l ca u t o m a t i o n ；c r a t t w o r ke q u i p m e n t h 声明 y 7 6 3 3 1 8 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：坚 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：垫兰墨灿汀年二月必日 工程硕士学位论文花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 1 1 工程背景和意义 第1 章绪论 花键是机械制造业中的关键传动零部件和机械要素，其制造工艺水平和产品质量 直接影响各类机械的总成质量。我国目前有成批花键产品能力的机械工厂约1 0 0 0 余 家，其中大中型企业( 职工人数5 0 0 人以上) 占半数以上。这些企业分属航空、航天、 兵器、船舶、电子、纺机、石化、交通、铁道、轻工、汽车、摩托车、工程机械、冶 金矿山、机床、工具、仪器、仪表、建筑机械、通用机械、起重运输机械、农机、印 刷机械等几十个行业。这些企业行政隶属关系复杂，但是花键的制造技术和装备又具 有极大的共性。 江苏省建湖县恒泰机械制造有限公司是一家批量生产农机轴类零件的民营企业， 尤以矩形花键轴为主。外花键材料为4 0 c r ，要求心部硬度要求为h r c 2 8 3 2 ， 花键齿表面硬度要求为h r c 4 8 5 5 ，结合零件的尺寸精度和形状位置精度要 求，确定该零件的加工工艺流程为：粗车一调质一铣花键一花键齿部高频感应 淬火一磨削。 按照外花键大径磨削加工工艺方案，花键齿部高频感应淬火后对外花键大 径进行磨削，以确保花键大径的尺寸、形状和位置精度，由于花键齿部采用高 频感应淬火的热处理方式变形量较小，因此，在确定磨削余量时可以不考虑尺 寸变形情况，仅考虑有足够的磨量即可。一般情况下，在采用花键轴铣床加工 外花键时，花键小径、键侧直接加工到设计尺寸，花键大径单边留有0 1 5 - 0 2 m m 的磨削余量即可l 】。在长期的生产过程中，有关花键的成型工艺一直是采用粗车后 在x 6 2 w 和x 5 2 k 铣床上进行铣削加工。如加工六齿或八齿的花键轴，采用的是下面 的工序过程来完成花键轴的齿形加工。装在万能分度头上的三爪卡盘夹持工件一端， 手用顶尖顶住另一端，铣削一齿，退刀后松开顶尖( 消除蜗轮的轴向力) ，手工分度， 再顶紧，如此循环六次或八次。这种加工方式具有以下特点： 第一，加工工序时间长，如该厂花键传统铣削外径3 2 轰加工长度为1 0 6 m m 单件 大约需要1 分1 5 秒。 第二，齿内纤维不连续，键齿强度比冷挤压加工差，但设备成本较低。 第三，分度精度主要由分度头的精度决定。依靠计算分度手柄转过圈数确定分度 值，工人在操作时，如出现计算错误，直接产生不可修复的废品。 t 程硕i + 学位论文花键轴加工工艺装各的设计开发与应用 第四，工入劳动强度大，效率低下。成批生产中，工人为追求产量，常常会在分 度之前忽略松开顶尖的步骤，分度时旋转的蜗轮承受轴向力，加剧分度头蜗轮蜗杆 副的磨损，分度头的精度下降快，寿命短( 实际生产中为3 5 个月) 。 1 2 花键加工工艺的发展现状和趋势 花键制造技术复杂，制造装备精度高，价格昂贵，是机床中最复杂、最贵重的设 备。在机床总台数中齿轮螺纹花键机床的数量虽只占到4 ，但其投资额则要占到1 0 以上，因此了解该类机床及其加工方式的发展趋势，对设计花键成型专用机床或是工 艺装备具有很大的指导意义。 机床的发展是以制造技术的发展为前提的。花键在机械产品上的应用范围总的趋 势是在减少，其原因是数控技术的广泛应用和内装式电机的技术成熟，使行业内采用 的齿轮件越来越少，与齿轮配套使用的花键的数量也相应在减少。花键制造业作为常 规的机械行业有正在被高新技术所逐渐取代的趋势，它的应用领域日益缩少。因此如 何降低花键制造的成本，提高花键生产的效率，是当今花键制造者首先应该考虑的问 题。今后半个世纪花键的应用从世界范围看将逐渐减少，但不会消亡，对于中国这样 的发展中国家花键的需求量，特别是农用机械上的花键还将有适度增长。就花键成型 而言，目前主要的成型方式主要有以下几种方式： 花键冷滚轧工艺【2 l = 目前国内外采用的一种先进的花键冷成型加工方法，与传统 切削加工相比，花键的产品性能提高了3 个等级精度，原材料节省1 0 ，效率比滚 齿工艺提高3 0 倍( 每件约1 5 2 0 秒) ，工件承载能力比切削件提高4 0 ，粗 糙度达r a 0 4 以下。实践应用表明，其运行状态、承载能力、配合精度、耐密 性能和噪音均达到国际同类产品水平。但加工直径小，成本较高。 e r n s tg r o b 公司采用c 6 和c 9 系列冷轧机轧制同m 9 5 的齿轮和花键轴，并可 轧制斜齿轮。更换程序时间0 5 m i n ，更换轧头时间3 m i n ，更换夹具时间2 m i n 到1 0 m i n 。 由于调整时间短，即使是2 0 3 0 件的小批量生产也是十分经济的。c 6 和c 9 的改进 型1 2 1 4 n c 和k r m l 2 1 4 n c 具有更高的生产效率、精度及可调性。可用于轧制从棒 料到有内外齿的自动变速箱离合器罩壳的全过程。轧制( i ) 3 2 0 的这个零件只需1 5 m i n 件。用z s m l 0 轧机可在2 5 秒内将薄壁管轧制成转向器的高精度齿条。 金刚石或c b n 内珩工艺 3 1 ：k a p p 公司采用的c o m i n g 工艺，用金钢石或c b n 内 啮合珩轮珩削淬硬后的齿面。在内啮合珩齿机上具有极高的生产率和精度，。对r c 6 5 以上的硬齿面齿轮特别适用。 干切工艺：l i e b h e r r 公司在l c 8 2 滚齿机上、g l e a s o n 公司在p h o e n i x 系列滚齿机和 锥齿轮铣齿机上采用硬质合金滚刀或铣刀盘干滚圆柱齿轮或干铣圆锥齿轮，具有极高 j 程硕士学位论文花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 的生产率( 提高3 0 呦和精度，刀具成本下降2 8 。并且由于避免了油液和冷却液污染 空气和环境，符合环保要求，属于无污染的新工艺。 实体磨削：e d g e t e k 公司的c n c 磨床采用电镀或陶瓷结合剂c b n 成形砂轮，从棒 料上直接磨制出花键轴、汽轮机叶片根部或其他型面。k l i n g e l n b e r g 公司的h n c 3 5 s 蜗杆磨床可从棒料上直接用砂轮强力磨出螺纹或蜗杆。 磨一珩联合工艺：r e i s h a u e r 公司的r z f 环面蜗杆砂轮成形磨削一外珩工艺联线， 可在1 5 m i i l 件左右时间里磨出五级精度的低噪声齿轮，每台r z f 的年生产率可达1 5 万件齿轮，特别适用于轿车变速箱齿轮【4 】。 车铣中心：t r a u b h e c k e r t 公司的t n c 4 2 d g y 八轴车铣中心和w f l 公司的 m i l l t u r nm 1 0 0 多轴车铣一检测中心都能在一次安装中全部完成壳体、盘，轴类零件 的全部机械加工。其机械加工的时间缩减到原来分散工序的三分之一到十五分之一。 1 3 本课题研究的内容和方法 1 3 1 本课题研究的内容 从上面分析的几种花键的加工方式来看，虽然都能把花键的加工精度都能得到大 幅度的提高，但是设备的价格都是非常昂贵的，工人要学会这一类机床的操作必须经 过严格的专们培训学习才能正确地操作，所以机床的操作相当复杂。况且，作为批量 生产农机用的花键类产品，其产品的精度不需要有如此高，太高的产品质量，反而使 得产品的成本提高，那样就适得其反了。 由于现在的花键成型工艺过程中存在着上述不足之处，受江苏省建湖县恒泰机 械厂委托，在其现有生产条件下，设计一种专用机床或是工艺装各，主要解决 以下几个问题就是本课题将要研究的内容。 第一，尽量缩短单件花键成型过程时的工序时问，提高生产效率。 第二，提高分度的精度，、并使得分度精度能长时间的保持稳定，即提高分 度精度的稳定性。 第三，设计的机床或工艺装备使用方便，操作简单。 1 3 2 本课题研究的方法 要解决生产中出现的上述问题，主要是解决好这样一些关系，产品质量与 效率之间的矛盾关系，设备操作简单且成本低下，要求整机改造的费用控制在 15 0 0 0 元左右。花键成型精度的关键取决于分度精度，考虑到时间和资金的关 系，在研究过程应该是设计一种能自动工作或易于实现自动控制的机械系统， 来完成铣削、退刀、分度、再铣削的花键成型过程。 工程硕士学位论文花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 在工厂现有条件下，初步拟订以机电一液一体化组合系统设计，将来控制 过程比较容易实现铣削过程的自动化。 整个设计过程可分为四大部分：一是机、电、液各控制组成要件的方案选择， 分别设计或分析现有的方案的优缺点，找出一种适合于现在有工厂条件的合理 方案来；二是液压控制系统的具体参数设计，依据现有的工厂实际条件，合理 设计一套液压系统；三是分析用端齿盘为定位机构的分度装置的工作原理，建 立一种数学模型，用以分析端齿盘机构的定位精度，既而指导同类机构的设计 提供依据；四是电气控制系统的参数设计过程，具体介绍该系统的控制系统的 设计过程及其控制特点。 通过这样的设计，以期达到提高生产率的目的，即该课题的现实意义。 1 4 本章小结 本章主要讨论了有关花键目前国内外生产的技术现状，并通过观察委托单位的现 在制造技术现状，找到了目前制造工艺上的不足之处，同时提出了本文将要研究的内 容就是解决现在生产中出现的问题，给出了该方案具体的设计思路。该方案的现实意 义就是起到提高生产效率，降低生产成本，提高产品市场竞争能力。 工程硕士学位论文花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 2 1 引言 第2 章花键加工工艺装备的方案设计 实际生产过程中存在的问题主要有如下几个方面：分度精度的稳定性较 差，单件成型的时间周期长，工人操作过程中劳动强度大。要解决上述问题可 以从以下几个方面考虑：分度装置能自动分度，精度和稳定性要提高：工作台 可以考虑将原有工作台改造为液压动力，提高其运动的平稳性；控制方式可以 考虑采用继电控制或是微机控制或是p l c 控制。 2 2 分度装置方案设计 在生产中，有些工件具有分布均匀、形状尺寸相同的表面，如均布孔系、 槽系等，在加工时要求夹具能进行分度转位，以便在一次装夹中将这些表面全 部加工完。在夹具上，能使夹具的某些部分连同工件一起转过一定角度或移动 一定距离的装置，称为分度装置。分度装置可分为回转分度装置和直线分度装 置两种，他们的分度原理与设计分法基本相同。在本设计中遇到的就是回转分 度的问题，因而下面主要讨论回转分度装置。 随着科学技术发展，制造技术也在不断发展，精密分度装置在制造中得到 较广泛的应用，且对分度精度的要求也越来越高，其中多数分度装置是基于误 差平均效应这一分度原理来实现的。误差平均效应原理是指在分度盘精度相同 的条件下，由于采用了两圆柱销，同时均匀对定，所产生的分度误差是分度盘 上两相邻分度孑l 位置误差的平均值，从而使转角误差因均分而减少。利用这一 原理可以在不提高基准件的条件下，而能获得极小分度转角误差。因而建立合 适的分析模型，对基于误差平均效应原理的高精度分度装置分度精度高的成因 做出合理的分析、研究，对科研和生产有较高的理论和应用价值。 2 2 1 分度装置原理分析 回转分度装置中的关键部分是分度盘和定位器，两者合在一起，称为分度 副。分度装置的工作精度取决于分度副的结构形式和制造精度。根据分度盘和 定位器相互位置的不同，回转分度装置可分为轴向分度和径向分度两种。 分度与定位均沿着分度盘回转轴线相平行的方向称为轴向分度。如图2 1 所示。分度和定位沿着分度盘半径方向进行的称为径向分度，如图2 2 所示 5 。 当分度盘的直径一定时，分度孔( 槽) 距分度盘的回转轴线愈远，则由于分度副 工程硕士学位论文 花键轴加工工艺装各的设计开发与应用 的间隙所引起的分度转角误差将愈小。径向分度的分度槽比轴向分度的分度孑l 离回转轴线较远，因此，径向分度的精度要比轴向分度的商。一般高精度分度 装置往往要用径向分度，但轴向分度结构紧凑，外形尺寸小，分度副处不易进 入污物，制造维修比较容易，因此应用比较广。 l 多 u 哆 l n 歹 n 互 缪憨 2 2 图2 1 轴向分度装置 ( a ) 钢球定位( b ) 圆柱销定位( c ) 圆锥销定位 1 分度盘2 定位元件 镪一管 图2 - 2 径向分度装置 ( a ) 双面斜楔定位( b ) 单面斜楔定位( c ) 正多面体斜楔定位 1 ，分度盘2 一定位元件 分度装置的形式不同，工作精度要求不同，采用的定位器也不同。常见的定位 器有如下几种： 采用钢球定位：图2 1 a 为用钢球定位的轴向分度装置。在分度盘上加工出相应的 分度锥坑，供钢球定位用。由于锥坑的深度不能大于钢球半径，且坑饷深度不易控制， 因此定位不可靠，仅适用于切削力小，分度精度要求不高的场合。 采用圆柱销定位：图2 一l b 为圆柱销定位的轴向分度装置。其结构简单，制造容易。 其缺点是存在定位副的配合间隙所引起的分度误差。有时圆柱销需在分度盘半径方向 上削边，成为削边销，以避免分度时产生过定位。 6 工程硕士学位论文 花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 采用圆锥销定位：图2 1 c 为圆锥销定位的轴向分度装置。圆锥销与分度孔接触， 可以消除孔销的配合间隙，所以分度精度比圆柱销定位高。但圆锥销的锥面上沾有污 物时，会影响分度精度，而且其制造也较复杂。 采用双面斜楔定位：图2 2 a 为双面斜楔定位的径向分度装置。其定位特点与圆锥 销定位基本相同，可以消除定位间隙，所以分度精度较高。但也会受分度副间沾污物 的影响。 采用单面斜楔定位：图2 2 b 为用单面斜楔定位的径向分度装置。这种装置其定位 边始终是分度槽的直边，而分度的转角误差将始终分布在有斜面的一侧，因此分度精 度比较高，常用于精密分度装置。 采用正多面体定位- 图2 2 c 是利用正多面体上每个面进行分度，并用斜楔进行定 位，其结构简单，制造容易，但分度精度不高。 2 2 2 分度装置方案之一：集成式液压马达分度装置分析 集成式液压分度马达 6 1 将摆线液压马达、凸轮分度机构、顺序控制阀及反 馈式液压制动机构集成于一体，可大大简化数控分度的结构，工作可靠、冲击 小、控制方便，可实现多刀位换刀的连续回转。它是数控机床的一个重要部件， 要求它工作迅速、灵活、可靠性高。 432 tp 图2 - 3 集成式液压分度马达液压原理图 1 - 电磁阀2 一摆线液压马达3 顺序控制阀 4 一节流阀5 - 单向节流阀6 电磁换向阀 集成式液压分度马达液压原理见图2 - 3 ，电磁阀6 是顺宁控制阀3 的先导 控制阀，c ，l 口通刀架夹紧油缸，当l 为高压时油缸夹紧，c 为高压时油缸 7 工程硕士学位论文花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 松开。电磁阀1 控制马达的旋向。当电磁阀6 收到换刀信号时、其a 端工作， 使压力油进入顺序控制阀3 的a 端，推动顺序阀使a 位工作，这时c 口与p 口通，l 口与t 口通，使得刀架夹紧油缸松开。，电控系统测到刀架松开信号后， 使电磁阀1 工作，马达开始回转。当电控系统检测到已转到需要的刀位时，使 电磁阀6 的b 位工作，压力油进入顺序控制阀3 的b 端，同时实现马达的机 械与液压制动。最后，c 通t ，l 通p ，使刀架油缸夹紧，换刀完成。油缸夹 紧后，电磁阀1 断电。单向节流阀5 起单向缓冲作用。节流阀4 调节液压制动 能力。 2 2 3 分度装置方案之二：液压油缸分度装置分析 液压分度油缸【7 】结构如图2 - 4 ，液压分度油缸由油缸体6 、斜齿轮超越离合器 3 、刻度尺挡块装置l 三部分组成。图中：h 为油缸活塞可调限位行程。由调整 挡块l 在副度尺座2 上的位置来调节h 行程长。斜齿轮超越离合器3 外齿与活 塞4 上的斜齿条啮合。星形体5 只能逆时针旋转，其芯轴与工作转台刚性联接。 在i 、i i 孔上接通油路后即可使工作台进行分度运动。当一次分度结束后，活 塞向左移动到极限位置，斜齿轮空转，超越离合器星形体静止，为下一次分度 做准备。如此循环，进行断续分度运动。 豳2 - 4 液压油缸分度装置 l - 挡块2 袁0 度尺座3 超越离合器4 活塞5 星形体6 缸体 分度油缸的分度精度取决于：分辨率：斜齿轮、齿条、超越离合器制 造精度；刻度尺刻线精度及安装精度( 安装刻度尺时应尽可能减小因斜齿轮 与齿条齿间间隙及超越离合器空行程间隙所产生的差) ；挡块的固定刚度。 油缸两端油路应设置由节流阀与单向阀组成的调速器，调整活塞运动速 度，以防止活塞冲击挡块时产生弹性变形而形成分度误差。 一 这种分度方式在使用上的特点是哆 工程硕，一学位论文 花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 第一，用于分度运动必须与其它机械运动按设定程序工作的液压传动机构 一起工作。 第二，该装置只适用于断续分度，且每次分度范围取决于活塞最大行程， 对每次大幅度分度的运动不宜采用。 2 2 4 分度装置方案之三：蜗轮一蜗杆分度装置分析 近年来，在高精度连续分度装置 9 1 中常采用包络蜗杆一正齿轮分度副或包 络蜗杆一尖齿轮分度副。如图2 5 ，包络蜗杆的材料一般为青铜，能在使用中 磨合，并有吸收法向齿形误差作用。蜗轮蜗杆分度副的典型特点是能自锁。 但其加工成本高，一般低精度生产中不采用此方案。 ，勰黼； 鼐 上 港悲撼 。一 i 凶7 图2 - 5 蜗轮一蜗杆分度原理 2 2 5 分度装置方案之四：电动刀架用作分度机构的原理分析 数控机床上使用的电动刀架 1 。】在工作时，不论有几个工位( 即可装刀具的 数量) ，都要求重复定位准确，且不同位置的刀具转到工作位置时，它们的位置必 图2 - 6b w d 电动刀架工作原理 1 一箱体2 一芯部机构3 - 内齿盘4 步 齿盘5 定齿盘6 蜗杆轴 7 - 箱盖8 9 - 螺母l0 电动机1 1 一后盖1 2 一发信机构 t 程硕士学位论文 花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 须重合一致。它实际上就是一种高精度的等分分度头。常州某数控设备厂生产 的bwd 型六工位和八工位电动刀架的工作原理j 如图2 - 6 ，由机械和电气两 部分构成。旋转换位( 分度) 由蜗轮一蜗杆副驱动，分度角度粗定位依靠发信机构 ( 1 2 ) 实现，分度角度的精定位和定位后的锁紧是采用内齿盘( 3 ) 、外齿盘( 4 ) 与定 齿盘( 5 ) 啮合来完成的。分度启动时，电机( 1 0 ) 正向旋转，由于内外齿盘与定齿盘 的啮合，安装在内齿盘上的刀盘( 图中未画出) 不能转动，蜗杆驱动蜗轮，带动芯部 机构( 2 ) 上的螺纹副( 8 ) ，使芯部机构向右滑行，齿盘啮合得以脱开。此时，刀盘与 芯部机构一起旋转( 分度) ，当旋转到预定位置时，发信机构中的光电耦合电路，如 图2 - 6 发信端输出+ 2 4 v 高电频，得此电信号后，控制电路使电机反转，螺纹副带 动芯部机构左移，齿盘啮合，实现精定位和锁紧。 r + 2 4 v 图2 7 光电耦台电路 这一机构是采用的端齿盘 j 2 1 作为分度和定位的，具有如下的特点： ( 】) 分度精度高端齿盘分度装置动齿盘和定齿盘啮合时，由于全部齿牙同时参 与啮合定位，多齿啮合的平均效应和弹性过约束原理使端齿盘的啮合分度精度大大高 于齿盘的加工分度精度，较以往各种分度装置，其精度提高了一个数量级( 目前分度 精度己达到0 1 ”) 。 ( 2 ) 重复定位精度高由于齿盘在任意同心圆上的齿厚和齿槽宽度相等，因此啮 合时没有侧间隙存在，其方度精度不受正反转的影响。齿牙的向心性使啮合端齿具有 固定的啮合毗连中心。这也是端齿盘分度装置具有很高重复定位精度的主要原因之一 ( 重复定位精度为0 0 2 ”) ( 3 ) 分度精度稳定端齿盘分店装置的使用过程恰似端齿盘对研加工过程，正确 的良好的使用可以不断改变端齿盘啮合齿面的接触精度，逐渐减少啮合分度误差。在 一定范围内，磨损不但不会使精度降低，反而可能有所提高，这是其它分度装置不具 备的独特优点。 ( 4 ) 结构刚性好端齿盘分度装置的动齿盘和定齿盘啮合时，齿牙彼此相嵌，接 触面积大，尤如个整体，当齿盘国度足够时，可以承受很大的载荷和机械加工中的 切削力，特别是鼓形齿端齿盘分度装置其刚性相当好。 l o 工程硕：i 学位论文花键轴加工工艺装各的设计开拄与应用 ( 5 ) 端齿盘分度装置还具有结构简单、紧凑、体积小、工艺性好、易实现自动分 度等优点。 ( 6 ) 这种装置的设计、制造、使用、维护较其它的分度装置简单，加工制造不需 要特殊设备，几乎所有的机械制造厂都能制造。 ( 7 ) 由于不能进行任意连续分度，分度时至少要转过一个齿，所以一般只能将圆 周分成有限的等分度，这使这种装置的分度受到限制。 2 2 6 分度方案的选用 对于分度机构应该要达到以下要求： 第一，应有足够的定位精度和刚度，这一项要求应根据被加工零件的精度要求受 力情况来定制。 第二，分度过程迅速而平稳，既要缩短分度时间，又提高生产效率，又要避免冲 击和振动，以免影响分度精度。 第三，能分便地改变分度的角度，以便适应不同工件的加工。 第四，定位精度能长期保持稳定。 第五，结构简单，工艺性良好。 根据以上分度机构的设计要求，为了缩短设计时间，选用b w d 电动刀架来替代原 有万能分度头，虽然该分度头能除不能满足上述要求的第三项之外，其它四项都能满 足。这并不会给生产带来很大的麻烦。因为，工厂在生产此类零件时是一种较大批量 的生产，同一机床在生产同一类型的零件会有很大的数量，也就是说，分度的角度基 本是保持一致不变的。 2 3 机械传动系统方案设计 传动方案的好坏对传动系统的工作性能、外廓尺寸、重量、可靠性以及 制造、使用和维护成本等影响很大，其设计是一项较为复杂的工作，需要综 合运用多方面的技术知识和实践设计经验，从多方面综合分析比较，才能拟 定出比较合理的传动系统方案。 2 3 1 传动系统的要求分析 要完成花键的成形过程，机床的传动系统必须包含主传动、进给传动、回转分度 运动和其它辅助传动1 3 1 。其中主传动运动是铣刀的旋转运动，切削速度高，而且是 多刃连续切削，生产效率高。这里因为是对原有机床的改造，保留原有x 6 2 w 和x 5 2 k 铣床的主传动不变，所以，下面不再对其进行讨论。传动系统通常由三大部件构成： 原动机、传动系统和工作机。为完成花键成形的工序，除主传动运动的刀具高速旋转 工程硕士学位论文 花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 外，另一个就是工作台的进给运动。根据花键加工的要求，传动系统性能的要求 应该遵循传动系统结构简单、紧凑、传动链短、传动精度高、速度的改变方 便快捷、效率高、成本低为原则。初步拟定进给传动的三种方案：保留原有 的进给传动系统( 普通丝杠螺母机构) 、用滚珠丝杠替代原来的普通丝杆螺母 副、设计一种液压动力滑台来代替。 2 3 2 丝杠螺母机构的传动分析 丝杠螺母机构又称螺旋传动机构【1 4 l 。它主要用来将旋转运动变换为直线运动或 将直线运动变换为旋转运动，其中用作工作台的进给丝杠是以传递运动为主的。普通 丝杠螺母机构实际上是一种运动面间以滑动摩擦为主的传动方式。如图2 - 8 所示，其 结构简单、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低( 3 0 4 0 ) 。 这样的传动形式因螺母本身的旋转自由度被限制，需要导向装置。其结构紧凑、丝杠 刚性好，一般适合于工作行程较大的场合。 ，- - 图2 - 8 普通丝杠传动方式不意图 。 原有机床x 5 2 k 和x 6 2 w 铣床都是采用的这一种传动方式。由于原来的机床都 是二手机床，而且服役已经有很多年了，丝杠螺母副的磨损非常严重，已经不能再继 续使用了，所以决定放弃保留原有机床上的进给传动系统。根据花键轴铣削加工的特 点，在加工过程中，工作台只要有纵向的移动。所以，把纵向移动的丝杠抽出，保留 原有的工作台垂直方向和横向的丝杠，把所有的离合器都拆除，保留这两个方向的手 动调节部分，以便在加工过程中进行手动对刀。 2 3 3 滚珠丝杠传动分析 。 滚珠丝杠副1 15 】是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杆与螺母之间装有 中闽传动元件滚珠。图2 - 9 为滚珠丝杠螺母机构组成示意图，从图中可知，它由 丝杆3 、螺母2 、滚珠4 和反向器( 滚珠循环反向装置) l 等四部分组成。当丝杆转 动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端 设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。 工程硕士学位论文花键轴加工工艺装各的设计开发与应用 滚珠丝杠副与普通的滑动丝杠副相比，结构复杂、制造成本高，但其最大优点是 摩擦阻力小、传动效率高( 9 2 9 8 ) 。此外，还见有轴向刚度高( 即通过适当预 紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙) 、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用死 图2 - 9 滚珠丝杠副构成原理 命长等优点。但由于不能自锁，具有传动可可逆性，在用作升降传动机构时，需要采 取制动措施。 2 。3 。4 液压动力滑台的方案设计 液压传动是以液压油为工作介质传动动力的装置。具其自身的特点，液压传动传 递动力大，运动平稳，但由于液体粘性大，在流动过程中阻力损失大，因而不宜作远 距离传动和控制。机床工作台液压系统方案如图2 1 0 所示【l “。机床工作台液压系统 主要由以下几个部分组成：把机械能转换成流体的压力能的能源装置，通常是指液压 泵；把流体的压力能转换成机械能的执行装置，这里是指驱动做直线运动的工作台的 油缸；对液压系统中流体的压力、流量和流动方向进行控制和调节的控制调节装置， 通常是指液压元件；还有其他的辅助装置和传动介质。 从拖动能力来看，与机械和电气系统相比，功率一质量比大。这意谓着同样功率 的控制系统，液压系统体积小、重量轻。以做直线运动的动力装置来比较，单位面积 出力来看，液压缸的出力一般可达7 0 0 7 - 3 0 0 0 n c m 2 ，而直线电机为3 0 n c m 2 左右。 工程硕士学位论文花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 图2 1 0 机床工作台液压系统方案 1 一油箱2 滤油器3 一液压泵4 溢流阀5 换向阀 6 一截止阀7 换向阀8 液压缸9 工作台 2 3 5 确定进给传动方案 从上面的分析比较来看，原有的机床进给系统因为使用期限很长，普通的丝杠 螺母副精度低不能再继续使用，滚珠丝杠螺母副传动精度高，但价格很贵，最终选择 把原有的工作台改造为液压滑台，如图2 1 1 所示【 】。 动力滑台由滑座、滑鞍和驱动装置组成。根据花键轴加工的特点，滑座和滑鞍间 的导轨仍然保留原有的机床导轨，只是要拆下重新修磨再继续使用。驱动滑鞍的驱动 装置由液压缸完成。 图2 - 1 l 液压滑台结构图 l 一滑座2 滑鞍3 液压缸4 活塞杆5 支架6 。单向阀 1 4 工程硕士学位论文花键轴加工工艺装各的设计开发与应用 2 4 控制系统的方案设计与分析 电气控制部分是机械设备的设计工作的一个重要组成部分。通常，电气设计是和 机械设计同时进行的，一台机器设备的结构和使用效能与其电气自动化的程度有着十 分密切的关系。所以，要从机械系统和液压系统的动作要求来拟定电气控制系统的方 案，然后再来进行设计。 2 4 1 控制系统的要求 从上述分度装置、机械传动和液压系统的分析可知，分度装置的驱动是三相笼型 异步电机，有正反转控制；液压系统的控制主要是液压元件的选择，一般为了控制的 方便，大多采用了普通的电磁阀，所以控制系统是要求对这些阀上的电磁铁通断电按 照一定的时序来进行，从而实现可靠的运行动作。 要使机床按预定的方式正常运行，控制系统常用的控制方式有继电接触器控制方 式、微机控制方式和可编程控制器控制方式等三种，下面分别比较各自的特点。 2 4 2 控制系统方案分析一：继电接触器控制系统分析 继电接触控制大量地采用了复合按钮、行程开关和转换开关，使用了大量 的机械触头，连线复杂，触头在开闭时易受电弧的损害，寿命短【l 8 1 。 2 4 3 控制系统方案分析二：微机控制系统分析 微机控制系统是由微机、接口、控制方式和动作执行方式等方面构成的。用微机 作为机电一体化系统或是产品的控制器，首先是对考虑控制方式是开环控制还是闭环 控制。对于这样的一种花键加工系统，无需用到闭环控制；其次要考虑机床的其它控 制要求，如电动机、液压阀的动作、行程开关的动作等等，这些元件对系统的可靠性、 精度和快速响应性有哪学方面的要求；另外，考量微机在整个控制系统中的作用，是 设定计算、直接控制还是数据处理，微机应该承担哪些任务，为完成这些任务微机应 该具备哪些功能，需要的输入输出通道数、配备哪些外设；最后来估算成本。为很 面的设计做基础和依据。 微机控制系统的最大特点是运算速度快、功能强，价格低，应用范围广。但是也 存在着不足之处，微机系统抗干扰能力差，编程复杂，系统的配置麻烦，开发周期长。 2 4 4 控制系统方案分析三：p l c 控制系统分析 可编程序控s u 器( p l c ) 是在继电器控制和计算机控制基础上发展起来的新 兴工业控制装置，是工业自动化的主导产品。自1 9 6 9 年第一台可编程序控制器 面世以来，经过3 0 多年的发展，现在可编程序控制器已经成为最重要、最可靠、 15 工程硕士学位论文 花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 应用场合最广泛的工业控制微型计算机。在可编程序控制器中，充分应用了大规 模集成电路技术、微电子技术及通信技术，迅速地从早期的逻辑控制发展进入到 位置控制、伺服控制、过程控制等领域。用可编程序控制器已经可以构成包括 逻辑控制、过程控制、数据采集与控制、图形工作站等的综合控制系统。 ( 1 ) 控制系统构成简单、灵活 由p l c 构成的控制系统中，只需在p l c 的端子上接入相应的输入和输出 信号线即可，不需要诸如继电器之类的固定电子器件和大量而又繁杂的硬接线 线路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，可以通过编程器在线( o n l i n e ) 或离线( o f fl i n e ) 修改程序来实现【1 9 】。 ( 2 ) 抗干扰能力强、可靠性高 p l c 采用微电子技术，其无故障工作时间一般都在2 万个小时以上( 有的 p c 可达5 1 0 万小时，如松下电工的f p 系列p l c ) ，大量的开关动作由无触 点的电子电路来实现，大部分继电器和繁杂的连线被软件程序所取代，如本设 计采用p c 控制后，控制系统的触头数将减少5 0 ，因此可靠性大大提高。( 3 ) 控制系统体积小、维护方便，p l c 体积小，重量轻，便于安装。p l c 具有自诊断 和监测功能，能检查出自身的故障和监测i o 输出，并随时显示给操作人员检查、判 断故障迅速方便，且接线少，维护方便。 2 4 5 选定控制系统方案可编程控制器控制系统 比较上述控制方式，继电一接触器控制方式的元件寿命短，故障率高；微机控 制方式的抗干扰能力差，开发周期长。所以选定用p l c 可编程控制器来对整个机床和 液压系统进行控制。 2 5 本课题采用的方案特点分析 通过以上分析，机械上把原有工作台改造成液压滑台，分度装置采用b w d 电动刀 架，控制系统采用p l c 控制。整机工作原理如图2 - 1 2 所示。该系统设计完成后具有 以下特点。 工程硕士学位论文 花键轴加工工艺装各的设计开发与应用 图2 1 2 整机动作原理图 1 油泵2 单向阀3 溢流阀4 减压阀5 6 三位四通电磁阀 7 调速阀8 工作台油缸9 控制行程开关1 0 尾架油缸顶尖 1 1 - 电动刀架1 2 ：t 件1 3 一铣刀 2 5 1 分度装置的特点分析 分度装置采用b w d 电动刀架经改制后用做分度。因为该装置采用的是端面齿盘 定位，结构紧凑、定位精度高，价格低廉，外购方便，可以大大地缩短开发周期20 1 。 2 5 2 进给系统的特点分析 把原有的工作台经改造，重新设计一种液压缸为执行元件的动力滑台。工作台液 压油缸可考虑选用单活塞杆液压油缸。单活塞杆油缸由于活塞两端有效面积不等，如 果以相同流量的压力油分别进入液压缸的左、右腔，活塞移动的速度与进油腔的有效 面积成反比，即油液进入无杆腔时有效面积大，速度慢，进入有杆腔时有效面积小， 速度快；而活塞杆上产生的推力则与进油腔的有效面积成正比。这样在工作过程中可 以实现进刀时的大切削力慢速进给，退刀时实现小负载的快速退回。 由工况分析可知，该系统的工作压力和流量都不是很大，因此从提高系统的效率， 节省能源和降低成本的角度考虑，采用的单个定量泵的供油方式是比较合适的。 由工况图可知，该系统在工作进给时速度需要调节，考虑到系统功率小，工作台 运动速度低，工作负载变化小，所以采用调速阀的进油节流调速回路。而退刀时，为 了提高退刀速度，节省退刀时间，采用了二位二通电磁阀短接调速阀。 把x 6 2 w 和x 5 2 k 两种铣床的工作台改为液压滑台。由于它具有以下的主要优点： 1 7 工程硕士学位论文 花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 f 1 1 由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布爱传动机 构，这是比机械传动优越的地方。由于液压缸的推力很大，又加之极易布置，所以用 液压油缸来推动工作台，与原来的机械传动机构相比，不仅操作方便，而且外形美观 大方。 佗) 液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。 ( 3 ) 可在大范围内实现无级调速。借助阀或变量泵或是变量马达，可以实现无级 调速，调速范围可达1 ：2 0 0 0 ，并可在液压装置运行的过程中进行调速。 h ) 传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。正因为此特点，正好适合于目 前花键加工过程的要求，所以工作台选择用液压传动。 ( 5 ) 液压装置易于实现过载保护借助于设置溢流阀等，同时液压件能自行润 滑，因此使用寿命长。 f 6 1 液压传动容易实现自动化借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和电 气控制结合使用时，能很容易地实现复杂的自动工作循环。 ( 7 ) 液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。 所以本文研究拟订如果图2 1 2 所示的液压原理图。 2 5 - 3 控制系统的特点分析 由可编程控制器为核心的控制系统，使用方便简单，开发周期短，设备故障率低 元件寿命长。 2 6 本章小结 通过分析常见的分度类型( 包括有径向分度和轴向分度) 的工作原理，比较了集 成式液压马达分度、液压油缸分度、蜗轮一蜗杆分度、电动刀架用作分度等几种装置 的特点，最终选定用电动刀架作为分度装置。通过比较丝杠螺母副、滚珠丝杠螺母副 和液压动力滑台等用作传动系统的传动装置的优缺点，研究了把原有机床工作台改为 液压滑台的原因。分析了液压系统中油缸的工作方式、供油方式和调速方式，最后选 定用调速阀的进油油路节流调速。通过对继电器控制和p l c 控制方式的比较，最终先 用p l c 作为控制系统的核心单元。 ， 丁程硕士学位论文 花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 3 1 引言 第3 章液压系统设计 本方案中有关液压系统的设计共有两个方面，一是工作台液压系统的设计与计 算，二是尾架液压系统的设计与计算，本章主要介绍工作台液压系统的设计计算过程 在本章的后面，给出尾架的液压系统设计结果。 3 2 液压系统的要求与工况分析 3 2 1 液压系统的要求 该机主要用于成批生产6 8 齿2 0 6 0 矩形花键轴1 2 1 】，切削时单齿切削， 深度一次成型。整机大部分用液压驱动，如工作台的进给和尾架的夹紧。机床 的运动分配如下：工作台在水平方向上沿导轨作往复直线运动：电动刀架实现 分度；尾架及电动刀架安装在工作台上可沿工作台上的t 型槽直线移动。布局 特点：卧式布置便于被加工零件的加工，装夹工件及手动操作较方便，结构紧 凑，工作台移动平稳。机床布局图如图3 1 所示。 图3 - 1 机床布局图 1 9 工程硕士学位论文花键轴加工工艺装备的设计开发与应用 机器对液压系统的要求保证较高的运动精度，整个加工过程除需要人工装 卸工件，其他部分都要由液压结合电气实现自动分度，切削，停机。工作台进 、 给速度0 1